湿热海岸沙漠环境特征与干热沙漠环境特征对比分析

赵全成，徐强，张凯，刘聪，王振海，刘翔

（1.甘肃敦煌大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，甘肃 敦煌 736200；2.西南技术工程研究所，重庆 400039；3.浙江省海洋岩土工程与材料重点实验室，杭州 310058）

全球沙漠分布主要分布于南北纬15°～35°，如图1所示。DEF STAN 00-35 《国防装备环境手册》将沙漠环境分为极干热沙漠环境、干热沙漠环境和湿热海岸沙漠环境。极干热沙漠环境温度极高、太阳辐射极强，主要分布在北非、中东、印度北部、美国西南部、欧洲的最南部和澳洲大陆的大部分地区。干热沙漠环境年最高温度高、太阳辐射强，湿度中下，主要分布在中南亚、非洲北部、中国西部等地区。湿热海岸沙漠环境温度高，地表空气中水汽含量高、太阳辐射强，主要分布在诸如波斯湾和红海之类广阔水域附近的高温沙漠地区[1]。

图1 全球主要沙漠分布情况Fig.1 Distribution of major deserts in the world

总的来说，沙漠环境具有夏季气温高、昼夜温差大、太阳辐射强、空气含尘率高、降水稀少的气候特点[2-8]，会造成复合材料翘曲变形、涂层开裂粉化、玻璃应力开裂、加速产品表面的磨蚀、活动部件卡死、元器件静电失效、蓄电池自放电以及堵塞通风管道和过滤装置等[9-14]环境适应性问题。我国的沙漠主要分布于西北地区，属典型干热沙漠环境，其环境特征主要表现为昼夜温差大、空气干燥、降水稀少、日照时间长、沙尘暴频发、夏季干热、冬季干冷等[15-16]。我国无极干热沙漠环境和湿热海岸沙漠环境，因此对这2种沙漠环境特征的研究较少。

从DEF STAN 00-35 《国防装备环境手册》[1]中的分类来看，极干热沙漠环境相比于干热沙漠环境只是“干热”特征的严酷度更高，但从吉利汽车研究院在湿热海岸沙漠环境与干热沙漠环境特中开展的整车对比试验来看，湿热海岸沙漠环境中车漆腐蚀更严重，橡胶件老化更快[17-18]。为分析2种沙漠环境腐蚀老化差异的原因，有必要开展湿热海岸沙漠环境特征与干热沙漠环境特征的对比研究，尤其是随着“一带一路”等国家发展战略的推进，我国产品和装备必将有在波斯湾、红海等区域的湿热海岸沙漠环境中使用和服役需求，该项研究显得更为迫切。

本文为研究湿热海岸沙漠环境特征与干热沙漠环境特征差异，收集和采集了湿热海岸沙漠环境和干热沙漠环境典型地区的环境因素数据，对比分析温度、湿度、太阳辐射等环境要素的极值、月变化、累计作用日数和日变化，为湿热海岸沙漠环境的模拟和产品环境适应性的考核提供数据支撑。

1 环境数据选取及分析方法

阿布扎比处于阿拉伯沙漠东北角，年降雨量极少，属于典型的沙漠环境，绝大部分地区寸草不生，阿布扎比也被誉为建在沙漠上的城市，阿布扎比北面与东面被波斯湾环绕，是DEF STAN 00-35《国防装备环境手册》中描述的典型湿热海岸沙漠气候类型环境，因此选取阿布扎比作为湿热海岸沙漠特征环境代表点开展分析。敦煌在我国甘肃省最西端，处于库姆塔格沙漠东南边缘，属于中纬度地区，最高气温高，太阳辐射强，日照时间长，降雨量少，蒸发量大，气候干燥[19]，是典型的干热沙漠气候类型环境，因此选取敦煌为干热沙漠环境特征代表点开展分析。选取敦煌、阿布扎比2009年1月至2018年12月大气温度、相对湿度、降水、太阳辐射等要素日数据开展对比分析。

对标GJB 1172—1991《军用设备气候极值》[20]、DEF STAN 00-35《国防装备环境手册》[1]、MILHDBK-310军事装备研发用全球气候数据[21]等，研究特征环境因素均值、极值、累计时数、昼夜循环等特征参数，掌握特征环境因素的各类风险率与极值。

1）算术平均值。当样本数量不多时，可采用算术平均数作为平均水平的统计指标，即将所有观测数据x1,x2,…,xn直接相加，其和除以样本数量n，其计算表达式为：

式中：为所有样本的平均值；xi为第i个样本观测值；n为样本总数。

2）极值。针对采集或收集的自然环境因素样本数据，需要分析其记录年限内的年度、月份、日的最高值或最低值，同时给出出现的时间、地点及其他有关情况。极大值和极小值的表达式为：

式中：Xi为样本总体中第i个样本的值；Xmax为样本总体中的最大值；Xmin为样本总体中的最小值。

3）变化幅度。针对采集或收集的自然环境因素样本数据，需要分析其记录年限内的年度、月份、日的某一环境因素的变化幅度，同时给出出现的时间、地点及其他有关情况。变化幅度表达式为：

式中：ΔX为某时期内变化幅度；Xmax为样本总体中的最大值；Xmin为样本总体中的最小值。

2 结果及分析

2.1 温度

2.1.1 极值

从表1和图2—4中可知，2009—2018年10年内，阿布扎比全年平均气温约29 ℃左右，偏差约1 ℃，全年平均气温在11 ℃左右，偏差约1 ℃。可见，两地年平均气温较为稳定，湿热海岸沙漠年平均气比干热沙漠高约18 ℃。阿布扎比年最高温度平均为46.5 ℃，年最高温度为47.2 ℃，出现在2017年，敦煌年最高温度平均为40.5 ℃。可见，相比于干热沙漠，湿热海岸沙漠极端高温更高。阿布扎比年最低温度平均为11.6 ℃，年最低温度10.4 ℃，出现在2010年。敦煌年最低温度平均为–20.6 ℃，年最低温度为–22.3 ℃，可见湿热海岸沙漠最低温度比干热沙漠高30 ℃。阿布扎比年温差约35 ℃，敦煌年温差约60 ℃，可见湿热海岸沙漠常年高温且夏季酷热，而干热沙漠地区表现为大的年温差，且为典型的夏季高温、冬季低温的特征。

表1 2009—2018年阿布扎比与敦煌温度要素对比Tab.1 Comparison of temperature factors in Abu Dhabi and Dunhuang from 2009 to 2018

图2 2009—2018年阿布扎比与敦煌年平均温度变化特征Fig.2 Annual average temperature variation characteristics in Abu Dhabi and Dunhuang from 2009 to 2018

图3 2009—2018年阿布扎比与敦煌年最高温度变化特征Fig.3 Annual maximum temperature variation characteristics in Abu Dhabi and Dunhuang from 2009 to 2018

图4 2009—2018年阿布扎比与敦煌年最低温度变化特征Fig.4 Annual minimum temperature variation characteristics in Abu Dhabi and Dunhuang from 2009 to 2018

2.1.2月变化

计算2009年1月至2018年12月阿布扎比与敦煌的月平均温度、月最高温度、月最低温度的平均值，结果如图5所示。

图5 2009—2018年阿布扎比与敦煌平均温度、最高温度、最低温度月变化特征Fig.5 Monthly variation characteristics of average temperature, maximum temperature and minimum temperature in Abu Dhabi and Dunhuang from 2009 to 2018: a) Abu Dhabi; b)Dunhuang

从图5中可知，阿布扎比的月平均气温在19～37 ℃，有近4个月超过35 ℃，敦煌月平均气温在–6～28 ℃，有2个多月低于0 ℃。由此可见，湿热海岸沙漠环境全年高温，全年温度最低月平均气温也接近20 ℃，而干热沙漠环境气温有着明显的月度变化，有明显的冷热变化。对于产品和装备温度适应性来说，在湿热海岸沙漠环境主要考虑耐极高温，而干热沙漠环境既要考虑耐高温，也要考虑耐低温。

2.1.3 累积作用时间

采集阿布扎比2009年1月至2018年12月年的观测数据，以月最高温度超过35 ℃作为严酷月筛选依据。经筛选，高温严酷月为2013年7月，可筛选出阿布扎比高温严酷年为2013年。由于湿热海岸沙漠年最低气温在10 ℃以上，因此不存在低温严酷特性。阿布扎比高温严酷年气温累计作用天数变化情况如图6所示。

图6 阿布扎比最高气温年累计作用年天数变化情况Fig.6 Variation of annual cumulative effect of maximum temperature in Abu Dhabi

从图6中可以看出，阿布扎比最高温度全年超过20 ℃，高气温严酷年份中，温度的极大值为47.2 ℃，温度超过35 ℃的天数为190 d，高温天气全年累计超过半年，温度超过40 ℃的天数为107 d，温度超过45 ℃的天数有8 d。这表明湿热海岸沙漠地区具有长年气温高且持续时间长的特征，并易出现极端高温情况。

采集敦煌2009年1月至2018年12月年的观测数据，以月平均最低或最高温度作为严酷月筛选依据。经筛选，高温严酷月和低温严酷月分别为2010年8月和2011年1月，由此可筛选出干热沙漠地区的低温年份和高温年份分别为2011年和2010年。敦煌地区低气温与高气温年累计作用天数变化情况如图7所示。

从图7中可以看出，低温严酷年份中，敦煌最低温为–22.5 ℃，且最低温度低于0 ℃的天数为141 d，占全年占比38.6%。干热沙漠地区全年有超过1/4的时间气温在0 ℃以下，体现了了冬季温度低，且持续时间长的特点。高温严酷年份中，温度的极大值为40.7 ℃，温度超过35 ℃的天数为31 d，高温天气全年累计超过1个月，表明干热沙漠地区具有夏季气温高、持续时间长的特征。

2.1.4日温差

选取阿布扎比和敦煌2013年的观测数据，计算昼夜温差，制作昼夜温差对比曲线，如图8所示。经计算，2013年阿布扎比平均日温差约为12 ℃，最大日温差为17.2 ℃，敦煌年温差约为14 ℃，最大日温差为22.7 ℃。从图8中可知，干热沙漠日温差略大于湿热海岸沙漠，湿热海岸沙漠年最大温差主要集中在夏季最炎热时间段，而干热沙漠最大温差主要出现在春季。综上所述，湿热海岸沙漠与干热沙漠两地均处在沙漠环境，具有共同的昼夜温差大的特征，但由于湿热海岸沙漠受海洋气候的影响，温差略小于干热沙漠。

图8 阿布扎比与敦煌2013年度昼夜温差变化特征Fig.8 Variation characteristics of diurnal temperature difference in Abu Dhabi and Dunhuang in 2013

综上所述，在湿热海岸沙漠环境中使用的产品需要加强极端高温适应性和长期高温适应性设计，户外机械、电子设备散热性能需极大加强。塑料、橡胶等高分子材料在湿热海岸沙漠环境更容易发生变形，弯曲等现象。

2.2 湿度

统计阿布扎比与敦煌年平均相对湿度、月平均相对湿度进行对比分析，结果如图9、10所示。经计算，2009—2018年阿布扎比平均相对湿度为约为45%，敦煌相对湿度约为34%，两地年均相对湿度稳定在10 a平均相对湿度附近，偏差为3%。从图9、图10中可看出，两地均明显呈现冬季相对湿度高，夏季相对湿度低的特点，而阿布扎比最低相对湿度月对应气温最高的7—8月，而敦煌平均相对湿度最低月出现在春季3—5月。可见，受海洋气候的影响，湿热海岸沙漠平均相对湿度比干热沙漠高11%，湿热海岸沙漠日温差也较大，因此湿热海岸沙漠比干热沙漠更容易出现结露的现象。金属表面由于结露形成的液膜可以提供腐蚀的环境，更易发生电化学反应，更高的温度也意味着金属有更高的活性。因此，金属材料在湿热海岸沙漠环境中的腐蚀速率将远大于干热沙漠环境。

图9 2009—2018年阿布扎比与敦煌平均相对湿度年变化特征Fig.9 Annual variation characteristics of average relative humidity in Abu Dhabi and Dunhuang from 2009 to 2018

2.3 辐射特征

采集2013年1月至2018年12月阿布扎比与敦煌的观测数据，统计年总辐射、月平均辐射进行对比分析，如图11、12所示。2013—2018年阿布扎比的年总辐射约为7 600 MJ/m2，敦煌的年总辐射约为6 500 MJ/m2，阿布扎比总辐射比敦煌多16%，这与阿布扎比纬度较低，处于北回归线附近有关。从辐射月变化来看，阿布扎比月总辐射始终高于敦煌，在冬季敦煌月总辐射急剧降低至300 MJ/m2，仅为最大辐射月辐射量1/2不到，而阿布扎比各月辐射量均维持在较高水平。结合图11与图12分析，可发现温度变化趋势与辐射变化趋势基本一致。由于海岸沙漠处于较低纬度地区，因此海岸沙漠总辐射明显高于干热沙漠环境。对于对辐射比较敏感的高分子材料来说，更强的辐射会加剧分子键的断裂，湿热海岸沙漠环境下的塑料、橡胶等高分子材料更容易发生老化，寿命会更短。

图11 2013—2018年阿布扎比与敦煌年总辐射变化特征Fig.11 Annual total radiation variation characteristics in Abu Dhabi and Dunhuang from 2013 to 2018

图12 2013—2018年阿布扎比与敦煌辐射月平均变化特征Fig.12 Monthly average variation characteristics of radiation in Abu Dhabi and Dunhuang from 2013 to 2018

2.4 降水特征

采集2013年1月至2018年12月阿布扎比与敦煌的观测数据，统计年降水量进行对比分析，如图13所示。从图13中可知，2009—2018年，阿布扎比平均年降水量约为60 mm，敦煌平均年降水量约为50 mm，两地年均降水量均较小，阿布扎比略大于敦煌。从年际变化来看，敦煌年降水量在平均降水量上下小幅度波动，最大年降水量不足70 mm，而阿布扎比年降水量波动极大。分析其原因，干热沙漠由于地处内陆，大气水汽含量较少，难以满足形成降水必要的水汽条件，因此降水较少；湿热海岸沙漠在大部分时间中有沙漠降水量少的特性，但受海洋气候影响，在海洋猛烈向陆地输送水汽时，易形成数倍于平均值的降水，导致湿热海岸沙漠降水量年分布差异极大。在干热沙漠环境中，降水稀少，降水也很快会被蒸发，但湿热海岸沙漠环境降水分布差异极大，因此仍需加强装备和产品的防水设计。

图13 2009—2018年阿布扎比与敦煌年降水量变化特征Fig.13 Annual precipitation variation characteristics in Abu Dhabi and Dunhuang from 2009 to 2018

3 结论

1）湿热海岸沙漠环境高温严酷程度远高于干热沙漠环境，湿热海岸沙漠年平均气温比干热沙漠高约17 ℃，最高气温达到47.2 ℃。湿热海岸沙漠环境温度月变化小于干热沙漠环境，海岸沙漠环境温度超过35 ℃的天数远大于干热沙漠环境。2种沙漠环境共同具有昼夜温差大的特征，但由于海岸沙漠受海洋气候的影响，温差略小于干热沙漠。在湿热海岸沙漠环境中使用的产品需加强耐极端高温和长期高温的环境适应性设计，高分子材料更易变形。

2）受海洋气候的影响，海岸沙漠环境湿度比干热沙漠环境高约10%，因此海岸沙漠更容易出现结露的现象，造成湿热海岸沙漠环境腐蚀速率将远大于干热沙漠环境。

3）海岸沙漠环境总辐射高于干热沙漠环境，海岸沙漠环境月辐射量均维持在较高水平，而干热沙漠环境在冬季月总辐射急剧降低。湿热海岸沙漠环境下的塑料、橡胶等高分子材料更容易发生老化，寿命会更短。

4）2种沙漠环境的年均降水量均较小，受海洋气候影响，海岸沙漠环境降水量年分布差异极大。湿热海岸沙漠环境需加强装备和产品的防水设计。